超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器

摘要

本发明公开了一种超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，包括：至少一个完美吸收器单元，所述完美吸收器单元包括：衬底；环形的绝缘层，所述绝缘层设于所述衬底上；第一反射层，所述第一反射层设于所述绝缘层上，所述绝缘层、所述第一反射层与所述衬底围合成一上端开口的空腔；高折射率材料层，所述高折射率材料层为可见光波段高折射率材料，其设于所述衬底上且位于所述空腔内，所述高折射率材料层为中心对称结构；以及第二反射层，所述第二反射层设于所述高折射率材料层上。根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，具有厚度薄以及在整个可见光范围内具有高吸收率等优点。

权利要求

1.一种超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，其特征在于，包括：至少一个完美吸收器单元，所述完美吸收器单元包括：衬底；环形的绝缘层，所述绝缘层设于所述衬底上；第一反射层，所述第一反射层设于所述绝缘层上，所述绝缘层、所述第一反射层与所述衬底围合成一上端开口的空腔；高折射率材料层，所述高折射率材料层为可见光波段高折射率材料，其设于所述衬底上且位于所述空腔内，所述高折射率材料层为中心对称结构；以及第二反射层，所述第二反射层设于所述高折射率材料层上。

2.根据权利要求1所述的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，其特征在于，所述衬底为SiO2层。

3.根据权利要求2所述的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，其特征在于，所述绝缘层为SiO2层。

4.根据权利要求3所述的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，其特征在于，所述高折射率材料层为GaN层。

5.根据权利要求4所述的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，其特征在于，所述第一反射层和/或所述第二反射层为Pt反射层。

6.根据权利要求1所述的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，其特征在于，所述空腔大致成正方体形，所述高折射率材料层的形状与所述空腔形状相适配。

7.根据权利要求6所述的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，其特征在于，所述第二反射层与所述高折射率材料层的横截面的形状相一致。

8.根据权利要求7所述的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，其特征在于，所述绝缘层的高度与所述第一反射层的高度之和等于所述高折射率材料层的高度。

9.根据权利要求8所述的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，其特征在于，所述第二反射层的厚度等于所述第一反射层的厚度。

10.根据权利要求9所述的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，其特征在于，多个所述完美吸收器单元位于同一平面且相互连接，多个所述高折射率材料层等间距间隔开设置且相邻两个所述高折射率材料层的顶点相对设置。

说明书

超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器

技术领域

[0001] 本发明涉及光吸收技术领域，更具体地，涉及一种超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器。

背景技术

[0002] 完美吸收器(PA)对于光通信、宽带薄膜热发射器、热光伏电池和光伏电池有着重要的潜在应用前景。传统的PA大多采用大型组装结构，具有尺寸太大的缺点。在2008年，Landy等人首次提出了表面等离子电磁超材料完美吸收器(MMPA)的概念。超材料(MMS)是自然界不能获取的人造材料，它的折射率、介电常数和磁导率常数可以任意调控，大部分关于超材料的工作主要致力于调控介电常数和磁导率的实部。Landy等人设计了一种由两个独立的金属元素组成的结构来调控介电常数和磁导率的损耗因数(虚部)，这两个金属元素分别是环形电场谐振器和金属线，电场耦合由环形电场谐振器提供，而磁场耦合则又这两个金属元素互相耦合共同产生，电场响应可以通过调整环形电场谐振器的尺寸来调控，而磁场响应则是通过调整金属线和两金属元素间的距离来调控。这样，电场响应和磁场响应就可以分别调控，从而同时吸收全部的电场和磁场。通过这种方法设计了MMPA工作在微波段(11.5兆赫兹)，然而，这种MMPA存在着许多缺陷，例如工作波段窄(吸收率在0.9以上部分大约0.4兆赫兹宽)，入射角敏感(正负5度内吸收率超过0.9)等。

[0003] 自从Landy等人第一次设计了MMPA，许多工作致力于提高其性能，如使其对入射角不敏感，对偏振方向不敏感。但是这些设计都有一个共同的缺陷，即工作波段过窄，大大限制了其应用。由于MMPA只有一组电场共振腔和磁场共振腔，因此只能在很窄的波段内工作，为了增加MMPA的工作带宽，在一个结构单元内添加了许多不同尺寸和不同形状的结构从而拥有了许多不同的共振腔。但是，尽管这些不同的共振腔允许MMPA工作在几个不同的波长或者一个相对较长的波段，但是这些共振腔之间的耦合严重限制了MMPA的工作效果，因此，它们的吸收率大大低于那些只有一组电场共振腔和磁场共振腔但能完全吸收所有电磁辐射的MMPA。Lee等人为了实现宽带完美吸收添加了许多个共振腔工作在互相靠近的波长，这些共振腔组成了一个相对较宽的波带，但却不能在这个宽带内保持高吸收率。

[0004] 还有一些MMPA设计，利用不同波长的光在不同的层被吸收的原理，使用多层结构使MMPA在宽波带内保持高吸收率，由于这些多层结构太过复杂，难以成为应用中的超薄吸收器。

发明内容

[0005] 本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

[0006] 为此，本发明的目的在于提出一种结构简单、厚度超薄的且在整个可见光范围内具有高吸收率的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器。

[0007] 根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，包括：至少一个完美吸收器单元，所述完美吸收器单元包括：衬底；环形的绝缘层，所述绝缘层设于所述衬底上；第一反射层，所述第一反射层设于所述绝缘层上，所述绝缘层、所述第一反射层与所述衬底围合成一上端开口的空腔；高折射率材料层，所述高折射率材料层为可见光波段高折射率材料，其设于所述衬底上且位于所述空腔内，所述高折射率材料层为中心对称结构；以及第二反射层，所述第二反射层设于所述高折射率材料层上。

[0008] 根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，通过高折射率材料层与绝缘层、第一反射层和第二反射层相结合的结构，实现其在整个可见光波段都有着良好的光学性能，不仅能够有效避免传统吸收光学元件中低效率、带宽窄、入射角范围小、偏振相关等诸多缺点，且实现了整个可见光波段(400nm至760nm)的与偏振方向无关的完美吸收，具有结构简单、超薄以及在整个可见光范围内具有高吸收率等优点。

[0009] 另外，根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器，还可以具有如下附加的技术特征：

[0010] 根据本发明的一个实施例，所述衬底为SiO2层。

[0011] 根据本发明的一个实施例，所述绝缘层为SiO2层。

[0012] 根据本发明的一个实施例，所述高折射率材料层为GaN层。

[0013] 根据本发明的一个实施例，所述第一反射层和/或第二反射层为Pt反射层。

[0014] 根据本发明的一个实施例，所述空腔大致成正方体形，所述高折射率材料层的形状与所述空腔形状相适配。

[0015] 根据本发明的一个实施例，所述第二反射层与所述高折射率材料层的横截面的形状相一致。

[0016] 根据本发明的一个实施例，所述绝缘层的高度与所述第一反射层的高度之和等于所述高折射率材料层的高度。

[0017] 根据本发明的一个实施例，所述第二反射层的高度等于所述第一反射层的高度。

[0018] 根据本发明的一个实施例，多个所述完美吸收器单元位于同一平面且相互连接，多个所述高折射率材料层等间距间隔开设置且相邻两个所述高折射率材料层的顶点相对设置。

[0019] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0020] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0021] 图1是根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器的结构示意图；

[0022] 图2是根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器的完美吸收器单元的剖面图；

[0023] 图3是图2的侧示图；

[0024] 图4是根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器的完美吸收器单元的俯视图；

[0025] 图5是根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器的模拟结果；

[0026] 图6a是根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器在不同入射角入射光条件下的测试结果；

[0027] 和图6b是根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器在波长为658nm处不同角度入射条件下的测试结果；

[0028] 图7是根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器的实物光路及测试光路；

[0029] 图8a至8d分别是根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器在波长在400nm、500nm、600nm及700nm时第一反射层与绝缘层交界面x-y截面的电场分布；

[0030] 图8e至8h分别是根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器在波长在400nm、500nm、600nm及700nm时电场最强处的x-z截面的电场分布。

[0031] 附图标记：

[0032] 超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器1000；

[0033] 完美吸收器单元100；

[0034] 衬底10；绝缘层20；第一反射层30；高折射率材料层40；第二反射层50；

[0035] 衬底宽度P；第二反射层宽A；吸收率B；反射率C；折射率D；吸收率E；反射率F；折射率G；偏振方向a；入射方向b；两个相邻第二反射层之间的距离d。

具体实施方式

[0036] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0037] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0038] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0039] 下面结合附图具体描述根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器1000。

[0040] 如图1至图4所示，根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器1000包括完美吸收器单元100，完美吸收器单元100包括衬底10、绝缘层20、第一反射层30、高折射率材料层40和第二反射层50。

[0041] 具体而言，完美吸收器单元100的数量为至少一个，完美吸收器单元100包括：衬底10，环形的绝缘层20设于衬底10上，第一反射层30设于绝缘层20上，绝缘层20、第一反射层
30与衬底10围合成一上端开口的空腔，高折射率材料层40为可见光波段高折射率材料，其设于衬底10上且位于空腔内，高折射率材料层40为中心对称结构，第二反射层50设于高折射率材料层40上。

[0042] 换言之，超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器1000包括至少一个完美吸收器单元100，完美吸收器单元100包括衬底10，衬底10上设有环形的绝缘层20，绝缘层20可为低折射率、实部低、没有虚部的绝缘介质，在绝缘层20上可设有环形的第一反射层
30，第一反射层30的形状可与绝缘层20的形状相适配，绝缘层20、第一反射层30与衬底10围合成一上端开口的空腔，在空腔内设有高折射率材料层40，高折射率材料层40为可见光波段高折射率材料，其具有高折射率、高实部和零虚部，高折射率材料层40的下端面与衬底10连接，侧壁分别与绝缘层20、第一反射层30连接，高折射率材料层40为中心对称结构，在高折射率材料层40上可设有第二反射层50，高折射率材料层40的上端面与第二反射层50连接。

[0043] 需要说明的是，超表面材料(MSM)是一种超薄的平面材料，其是一系列小尺寸光学材料的统称，这种二维或准二维的材料使得用超薄材料原件控制光的传播成为了可能。本发明实施例的完美吸收器1000是一种超薄的超表面完美吸收器(MSMPA)，对光完美吸收在将光的热或电场转化为能量中有着重要的意义。它的吸收率在整个可见光范围(400纳米到760纳米)内高达0.933以上。不同于传统的MMPA有很高的高度，本发明实施例的MSMPA的高度只有六分之一到四分之一个波长，具有厚度薄以及在整个可见光范围内具有高吸收率等优点。

[0044] 由此，根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器1000，通过绝缘层20、高折射率材料层40、第一反射层30和第二反射层50相结合的结构，采用中心对称结构的高折射率材料层40，实现了在整个可见光波段都有着良好的光学性能，不仅能够有效避免传统吸收光学元件中低效率、带宽窄、入射角范围小、偏振相关等诸多缺点，且实现了整个可见光波段(400nm至760nm)的与偏振方向无关的完美吸收，具有结构简单、超薄以及在整个可见光范围内具有高吸收率等优点。

[0045] 根据本发明的一个实施例，衬底10可为SiO2层。

[0046] 可选地，绝缘层20可为SiO2层，其中，绝缘层20可通过刻蚀处理，需要说明的是，绝缘层20也可为空气。

[0047] 优选地，高折射率材料层40可为GaN层。

[0048] 可选地，第一反射层30和/或第二反射层50可为Pt反射层。

[0049] 在本发明的一些具体实施方式中，空腔可大致成正方体形，高折射率材料层40的形状可与空腔形状相适配。需要说明的是，其他横轴、纵轴对称的几何形状也可以实现类似的性能，实现与偏振无关的吸收。

[0050] 进一步地，第二反射层50与高折射率材料层40的横截面的形状相一致。

[0051] 根据本发明的一个实施例，绝缘层20的高度与第一反射层30的高度之和等于高折射率材料层40的高度。也就是说，高折射率材料层40的高度为H，由绝缘层20(SiO2)和第一反射层30(Pt)组成的双层结构，其中绝缘层20在下方，其高度为H1，第一反射层30在上方，其高度为H2，H＝H1+H2。

[0052] 进一步地，第二反射层50的高度等于第一反射层30的高度，即在高折射率材料层40上方的第二反射层50的高度为H2。

[0053] 在本发明的一些具体实施方式中，完美吸收器单元100的数量可为多个且相互连接，多个完美吸收器单元100可位于同一平面，其中多个高折射率材料层40等间距间隔开设置且相邻两个高折射率材料层40的顶点相对设置。

[0054] 换言之，衬底10的横截面可为正方形，衬底10的宽可设为P，相邻衬底10相互连接，相邻衬底10上的高折射率材料层40的顶点相对设置，相邻衬底10上的第二反射层50的的顶点也相对设置，第二反射层50的宽可设为A。

[0055] 可以通过使用有限差分时域方法(FDTD)(Lumerical FDTD(Finite Difference Time Domain)Solution)来模拟本发明实施例的完美吸收器1000的光学性能，由于完美吸收器单元100的结构在垂直的两个方向上是相同的，因此它工作时与入射光的偏振方向完全无关，因此只需要考虑偏振光入射到MSMPA的情况就可以了解完美吸收器1000完整的吸收性能，在模拟测试时，如图7所示，一束光从衬底10底部沿Z方向入射到完美吸收器单元100结构上，入射角最初先设置为0,经过优化后的结构参数为：H1＝H2＝59nm,H＝118nm,P＝220nm,A＝149nm，模拟结果如图5所示，需要说明的是，图5中的B线下方的虚线为0.9，作为参考线。光吸收率可通过1-R-T计算得到，其中T是透过率，R是反射率，可以直接从模拟结果中获得。从图5可以看出，在可见光波段(400nm至760nm)范围内平均吸收率高达0.9785，显示出优异的吸收性能。

[0056] 此外，完美吸收器单元100在宽角度入射时同样具有优良的吸收性能，入射角对吸收性能的影响如图6a所示，需要说明的是，0-60°范围内的吸收率曲线变化趋势大致相同，大致为近似曲线，相邻的曲线出现重叠区域，当入射角增加到70°时，完美吸收器单元100在整个可见光波段范围的吸收率依然很高，当入射角增加到80°时，除了在很短波长范围以外，完美吸收器单元100在可见光波长范围内同样具有优良的吸收性能。如图6b所示，在某些波长(例如658nm处)，当入射角增加到80°时，吸收率依然保持在0.9左右，由此可见，完美吸收器1000的优异的角度特性。

[0057] 根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器1000在使用时，绝缘层20和第一反射层30组成了双层结构，也就是二氧化硅/铂双层结构，二氧化硅/铂双层结构可作为由一层金属和一层介质组成的附后无磁性层，其介电常数是负的，因此可以被看成是有着负介电常数超材料。这样的双层材料结构被另一种介质材料，也就是高折射率材料层40(氮化镓)的矩形块塑形。这种复合结构可以将光完全局域在其中，当光束在双层结构中传播时，每当光束到达双层结构和介质矩形块的边界时，光束都将经历一个微小的平行于界面的位移，通过合理地设置结构参数就可以使该位移与光束从一个界面传播到另一个界面期间位移的平行于边界方向的分量等值反向。这样，光束尽管一直在传播，但是在平行于边界的方向上却是停滞不前的，从而无法从该复合结构中逃脱。不过，对于单一的结构参数，只有单一波长的光束能够被限制在其中。本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器1000中的相邻两个第二反射层50之间的距离对应了双层材料结构的宽度，进而直接决定了能被局域其中的光束的波长，宽度越小，被局域在其中的光束的波长越短。当双层材料结构中包含着不同的宽度时(例如相邻两个第二反射层50之间的不同区域宽度不同)，多个波长乃至一段连续波长的的光束即可以被成功限制在结构中。

[0058] 如图7所示，不同波长的光被局域在了不同的位置，光从双层结构结构下方沿z轴方向传播入射，两个相邻第二反射层50之间的距离等于d，不同波长的光被局域在不同d的位置。其中，短波长的光线被局域在d较小的区域，长波长的光线位于d较长的区域。如图8a至8h所示，结构内部的电场图能够进一步地解释MSPA的工作原理，图8a、8b、8c和8d分别为波长在400nm、500nm、600nm及700nm时z＝59nm处的x-y截面(正好在绝缘层20和第一反射层30之间的交界面)，图8e、8f、8g和8h分别为波长在400nm、500nm、600nm及700nm时电场最强处的x-z截面，其中图8e中y＝0，图8f中y＝20nm，8g中y＝40nm和8h中y＝70nm，由此可知，越短波长的光被局域在d越小的区域里。

[0059] 总而言之，根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器1000是一种基于负古斯汉欣位移理论的完美吸收光学元件，能够有效避免传统吸收光学元件中低效率、带宽窄、入射角范围小、偏振相关等诸多缺点，其在整个可见光波段都有着良好的光学性能，且在整个可见光波段内吸收率都在0.933以上，吸收率最高处高达0.98，实现了整个可见光波段(400nm至760nm)的与偏振方向无关的完美吸收，根据本发明实施例的超薄入射角无关偏振方向无关的超宽带完美吸收器1000具有结构简单、超薄以及在整个可见光范围内具有高吸收率，在光通信、太阳能电池和薄膜工业等具有潜在应用。

[0060] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0061] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。